EP2330405A1 - Method and device for measuring flow resistance parameters - Google Patents
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- EP2330405A1 EP2330405A1 EP09075525A EP09075525A EP2330405A1 EP 2330405 A1 EP2330405 A1 EP 2330405A1 EP 09075525 A EP09075525 A EP 09075525A EP 09075525 A EP09075525 A EP 09075525A EP 2330405 A1 EP2330405 A1 EP 2330405A1
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- G01N2011/147—Magnetic coupling
Definitions
- the invention is in the field of metrology and relates in particular to the field of fluid mechanics.
- Fluid mechanical measuring techniques and methods are basically known in a variety of configurations and applications. Corresponding measurements relate, for example, to the viscosity or, in reversal of this size, the flowability of fluids and the flow resistance or the resistance coefficient in the case of components through which a fluid can flow. Also, dynamic parameters such as the inertia of the liquid column in a component or the elasticity of the wall of the component with time-varying flow can be determined experimentally. Under a fluid is understood in this context, both a gas and a liquid.
- Corresponding drag coefficients are characterized in the case of fluid-flow components by the flow direction, the pressure difference between points before and after flowing through the component, and the volume flow which is driven through the component by the corresponding pressure difference.
- resistance coefficients can be reliably measured while measuring the corresponding physical quantities.
- the object of the present invention is to provide a device and a method for measuring a fluid-permeable component which is not directly accessible.
- the measurement should be as simple as possible, feasible with little effort and the best possible result.
- Pressure loss are measured in a fluid flow. This is done in principle by measuring the pressure loss, in particular the pressure loss as a function of the component flowing through the time constant or variable volume flow.
- the corresponding quantities are derived from variables which can be detected directly on a pump which drives the fluid flow.
- This pump is connected as directly as possible or via a negligible in their fluidic mechanical action pressure line with the element to be measured, and the pump is taken to promote the fluid in operation.
- the correspondingly measured quantities can be assigned the required quantities within a stored characteristic field or by an algorithm be considered, taking into account the nature of the fluid present.
- the measuring device formed with the pump may therefore have to be calibrated for different fluids in order to form corresponding maps and / or algorithms.
- the corresponding value pairs or groups of pairs of values or characteristic curves which have thus been recorded by the measuring method according to the invention and the measuring device, can thus be used to reliably accurately correlate flow resistance parameters or resistance coefficients of a fluid-flow element downstream of the pump.
- a particularly good characterization of the element to be measured can advantageously be made possible in that the measurements mentioned are carried out successively for different fluids.
- the invention relates in addition to the measuring method described also to a device for measuring flow resistance parameters of a fluid-flow element, a corresponding pump, a first detection means for the rotational speed or energy absorption of the conveying element and a second detection means for the load of the pump and a Evaluation device, the at least one pair of values from a speed or energy intake and a pump load detected thereto assigns a flow resistance parameter.
- the corresponding rotational speed of the conveying element can either be measured or, if the rotor can be driven by means of a synchronous drive, also be specified.
- the load of the pump is advantageously measured by the registration of the bearing forces, in particular by detecting the necessary coil current for controlling a pump element actively controlling a bearing element magnetic bearing or the axial position of the rotor in the application of VZP.
- the evaluation device advantageously has a memory device with stored characteristic diagrams for the rotational speeds and pump loads, in particular separately for different fluids.
- the invention is applicable to an axial flow pump which has a rotor mounted in a controlled axial bearing, which serves as a conveying element of the pump by means of conveying blades attached thereto.
- an axial force is generated in such an axial pump as a reaction force of the liquid acceleration, which is to be collected in the thrust bearing by corresponding magnetic forces.
- the axial position of the rotor is controlled by means of the current intensity of a coil, which in the stator of the bearing, in particular in addition to a permanent magnet, an additional magnetic force in response to the pump load generated to ensure a desired position of the rotor in the axial direction.
- a corresponding axial pump is for example in the German patent application DE 101 23 138 B4 described together with an exemplary bearing control mechanism.
- the method according to the invention and the device for measurement according to the invention also represent an inventive new use of a pump, which enables the task of measuring the difficult-to-reach, fluid-permeable component to be carried out with very little additional effort.
- Fig. 1 shows schematically in a longitudinal section a magnetic bearing axial pump, as for example as a blood pump for the human body application finds.
- the pump is inserted into a cylindrical tube 1 and has a rotor 2 with rotor blades 3 for propelling a fluid in the flow direction 4.
- the drive for the rotor 2 provides a laminated core 5, windings 6 and yoke parts 7, 8, which together with the laminated core 5 form a highly permeable magnetic circuit which is closed by permanent magnets 9 in the core of the rotor 5, so that a total of a synchronous motor with outside lying stator is commutated electronically.
- the rotor 5 is magnetically non-contact by means of permanent magnets 10, 10a, whose magnetic axis is aligned parallel to the flow direction 4, and stationary annular permanent magnets 11, 11a in the axial direction.
- the permanent magnets 10, 11 and 10a, 11a are each aligned so that they attract in pairs in the axial direction. Thus, an unstable equilibrium is formed in the axial direction 4 at best, so that for non-contact storage additionally a control device must be provided. In the radial direction, an automatic centering of the rotor 2 is realized by the ring shape of the magnets 11, 11a.
- a sensor coil 14, 14a is provided in each of the stationary parts of the axial pump 12, 13 which extend in the extension of the rotor 2 within the tube 1, and a respective shorting ring 15, 15a is located within the rotor, so that by means of inductance the sensor coils 14, 14a respectively the distance to the respective short-circuit ring 15, 15a and thus the axial position of the rotor 2 can be measured.
- the corresponding measured variables are fed as input variables to a control device which, depending on the measured position or on the difference from the target position of the rotor, controls a current through two control coils 16, 16a which strengthen or weaken the respective axial fields of the permanent magnets 11, 11a to control the attraction force of the permanent magnets 10, 11, 10a, 11a such that the rotor 2 is moved in the axial direction to its desired position, or to a position at which the current through the control coils is equal to zero (VZP).
- the drive control is in the Fig. 2 denoted by 17 and acts on one in the Fig. 2 only very schematically illustrated drive winding 18, which sets the rotor 2 in rotation. If it is a synchronous motor, a speed can already be predetermined with the drive control 17. Is it? around a sensorless brushless DC motor, the speed of the induced back voltage can be determined. Otherwise, a speed sensor for measuring the speed can additionally be provided in the area of the rotor 2.
- FIG Fig. 2 When the rotor 2 is rotated, the fluid flows as shown in FIG Fig. 2 is represented by the arrows 19, 20, 21, 22 and 23, through the tube 1 and its continuation.
- the fluid-flow element to be measured in the illustrated case is denoted by 24 and, in the specific case illustrated, constitutes an apertured diaphragm which offers a certain resistance to the fluid flow which is to be measured.
- this example is only to be regarded as schematic and stands for any fluid-flowable elements which can also be made considerably more complex.
- the flow resistance parameters of the element 24 can be determined exclusively by detecting measured variables in the region of the axial pump.
- a force results on the rotor 2, which is directed in the direction of the arrow 25 and seeks to reduce the axial gap to the stationary component 12.
- the size of this gap is in the Fig. 2 designated by the reference numeral 26, while the deviation of the rotor position from the center position / target position of the rotor is denoted by 27.
- This deviation is detected by means of the sensor 28, which transmits this quantity to the control device 29 for the axial position of the rotor.
- These Control device accordingly determines the necessary current i through the control coil 16, which influences the axial magnetic field acting on at least one of the permanent magnets in the rotor 2.
- the current intensity i necessary for the modulation is a measure of the counterforce acting on the rotor 2 or the pump load or also the pressure difference in the pumped fluid produced by the pump.
- VZP Virtual Zero Power Control
- Fig. 3 is shown schematically in a flowchart of the flow of the measurement, wherein first in a first step 31, the storage control is turned on and then in a step 30, the drive is started. In a further step 32, the control current required for the axial stabilization for the bearing control or the axial rotor position is measured, and in a step 33, the rotational speed of the pump drive is detected. These values will be in a next one Evaluation step 34 associated with a characteristic diagram in consideration of the known toughness of the fluid a flow resistance parameter of the unknown element 24, and this is output in an output step 35.
- a dynamic speed stimulation signal must be used instead of a stationary speed.
- the pump load and the volume flow are each calculated using the speed information and the determined disturbance force.
- the required parameters can be determined using system identification methods.
- 36 denotes the current intensity sensor necessary for the axial bearing stabilization
- 36 alternatively, in the case of using a virtual zero power control control system, may also designate the axial rotor position sensor
- 37 denotes a rotational speed sensor of the rotor 2 or a sensor for power consumption.
- the sensors are connected to the evaluation device 38, which has a comparison device 39 and a memory device 40. In the memory device 40, the corresponding maps for speed and current or position values are stored.
- the evaluation device 38 also controls the drive 17 of the rotor.
- the evaluation device 39 can receive information about the type or viscosity of the fluid used via the input unit 41.
- the evaluation device 38 outputs the determined flow resistance parameter to an output device 42.
- the evaluation can also be carried out by calculation using an evaluation algorithm.
- FIG. 5 schematically a map is shown in which each rotational speeds are plotted on the x-axis and corresponding currents of the control coils for the axial stabilization of the rotor on the y-axis.
- Each solid graph indicates the relationship between speed and current at a particular, downstream of the pump flow element with a defined flow resistance. The higher the flow resistance of the downstream fluid-flow element, the more the axial force increases on the bearing of the rotor.
- the measured value 43 means a higher flow resistance of the element to be measured than the measured value 44, since the backflow to the axial pump and thus the axial force on the bearing is stronger.
- a flow resistance parameter of an element to be measured can be determined.
- the invention thus allows, with minimal additional measures on an axial pump their use as a measuring device for the measurement of fluidic Characteristics of a difficult-to-access element to be connected to the pump.
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Abstract
Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und bezieht sich insbesondere auf das Gebiet der Strömungsmechanik.The invention is in the field of metrology and relates in particular to the field of fluid mechanics.
Strömungsmechanische Messtechniken und Verfahren sind grundsätzlich in vielfältigen Ausgestaltungen und Anwendungen bekannt. Entsprechende Messungen betreffen beispielsweise die Viskosität bzw. in Umkehrung dieser Größe die Fließfähigkeit von Fluiden und den Strömungswiderstand bzw. den Widerstandsbeiwert bei Bauteilen, die von einem Fluid durchströmbar sind. Auch dynamische Parameter wie die Trägheit der Flüssigkeitssäule in einem Bauteil oder die Elastizität der Wand des Bauteils bei zeitlich veränderlicher Durchströmung können experimentell ermittelt werden. Unter einem Fluid wird in diesem Zusammenhang sowohl ein Gas als auch eine Flüssigkeit verstanden.Fluid mechanical measuring techniques and methods are basically known in a variety of configurations and applications. Corresponding measurements relate, for example, to the viscosity or, in reversal of this size, the flowability of fluids and the flow resistance or the resistance coefficient in the case of components through which a fluid can flow. Also, dynamic parameters such as the inertia of the liquid column in a component or the elasticity of the wall of the component with time-varying flow can be determined experimentally. Under a fluid is understood in this context, both a gas and a liquid.
Entsprechende Widerstandsbeiwerte werden bei fluiddurchströmten Bauteilen charakterisiert durch Strömungsrichtung, den Druckunterschied zwischen Stellen vor und nach Durchströmen des Bauteils sowie den Volumenstrom, der durch den entsprechenden Druckunterschied durch das Bauteil getrieben wird.Corresponding drag coefficients are characterized in the case of fluid-flow components by the flow direction, the pressure difference between points before and after flowing through the component, and the volume flow which is driven through the component by the corresponding pressure difference.
Dementsprechend lassen sich unter Messung der entsprechenden physikalischen Größen Widerstandsbeiwerte zuverlässig vermessen.Accordingly, resistance coefficients can be reliably measured while measuring the corresponding physical quantities.
Bei vielen Anwendungen ist es jedoch nicht möglich, die entsprechenden Größen zu messen, oder man möchte den Messaufwand möglichst gering halten. Zudem ist es oft schwierig, Zugang zu den Stellen zu erlangen, an denen die entsprechenden Größen gemessen werden müssten.In many applications, however, it is not possible to measure the appropriate sizes, or you want to keep the measurement effort as low as possible. In addition, it is often difficult to gain access to the places where the appropriate sizes need to be measured.
Insbesondere in der Medizintechnik, wenn manche der fluiddurchströmten Elemente schwer zugänglich oder in ihrem Strömungswiderstandswert veränderlich sind, ist es von großem Vorteil, wenn eine derartige Größe wie ein Strömungswiderstandsparameter mit geringem Aufwand in kurzer Zeit, zuverlässig und genau gemessen werden kann.In particular, in medical technology, if some of the fluid-flow elements are difficult to access or variable in their flow resistance, it is of great advantage if such a size as a flow resistance parameters can be measured with little effort in a short time, reliable and accurate.
Entsprechende strömungsmechanische Messgeräte sind grundsätzlich bekannt.Corresponding fluid mechanical measuring devices are known in principle.
Aus der
Aus der
Zudem ist aus der genannten Schrift bekannt, eine Axiallast auf den Rotor infolge einer Relativbewegung des Rotors zu messen und hieraus eine Viskositätsgröße zu ermitteln.In addition, it is known from the cited document to measure an axial load on the rotor as a result of a relative movement of the rotor and to determine therefrom a viscosity variable.
Grundsätzlich beziehen sich die messtechnischen Anwendungen eines derartigen Rotors jedoch lediglich auf die Vermessung der in ihm befindlichen Fluide.In principle, however, the metrological applications of such a rotor relate only to the measurement of the fluids contained in it.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Vermessung eines fluiddurchströmbaren Bauteils zu schaffen, das nicht direkt zugänglich ist. Die Messung soll dabei möglichst einfach, mit geringem Aufwand und möglichst genauem Ergebnis durchführbar sein.Against the background of the prior art, the object of the present invention is to provide a device and a method for measuring a fluid-permeable component which is not directly accessible. The measurement should be as simple as possible, feasible with little effort and the best possible result.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, the object is achieved with the features of
Im Ergebnis soll durch die Erfindung bei einem noch nicht vollständig bekannten strömungsmechanisch wirksamen Bauteil der durch dieses Bauteil erzeugte Druckverlust in einer Fluidströmung vermessen werden. Dies geschieht prinzipiell durch Vermessung des Druckverlustes, insbesondere des Druckverlustes in Abhängigkeit von dem das Bauteil durchströmenden zeitlich konstanten oder veränderlichen Volumenstrom.As a result, should be generated by this invention in a not yet completely known fluidically active component by the invention Pressure loss are measured in a fluid flow. This is done in principle by measuring the pressure loss, in particular the pressure loss as a function of the component flowing through the time constant or variable volume flow.
Um Messungen in unmittelbarer Nähe des unbekannten Bauteils zu vermeiden, werden die entsprechenden Größen von solchen Größen abgeleitet, die direkt an einer die Fluidströmung treibenden Pumpe erfasst werden können. Diese Pumpe wird möglichst direkt oder über eine in ihrer strömungsmechanischen Wirkung vernachlässigbare Druckleitung mit dem zu vermessenden Element verbunden, und die Pumpe wird zur Förderung des Fluids in Betrieb genommen.In order to avoid measurements in the immediate vicinity of the unknown component, the corresponding quantities are derived from variables which can be detected directly on a pump which drives the fluid flow. This pump is connected as directly as possible or via a negligible in their fluidic mechanical action pressure line with the element to be measured, and the pump is taken to promote the fluid in operation.
Das unbekannte Bauteil kann, wenn die Eigenschaften der Pumpe bekannt sind, vollständig durch die Messung des Volumenstroms und entsprechender Pumpenlastwerte charakterisiert werden. Die Pumpenlastwerte entsprechen eindeutig dem jeweils in der Pumpe erzeugten Druckgefälle und können mit geringem Aufwand durch die auf ein entsprechendes Förderelement der Pumpe wirkenden Kräfte bestimmt werden. Ein solches Förderelement ist typischerweise durch einen Pumpenrotor gebildet, der gemäß der Erfindung in einem Magnetlager gelagert ist. Der Pumpenrotor wird vom Magnetlager radial passiv zentriert, während seine axiale Position aktiv geregelt wird. Zu diesem Zweck misst ein integrierter Positionssensor die axiale Rotorposition. Ein Regler ermittelt auf der Basis dieses Messwertes einen Steuerstrom. Der Steuerstrom wird durch ein elektromagnetisches Aktorelement geleitet. Damit kann die axiale Rotorposition gezielt verändert werden. Grundsätzlich sind mindestens 2 Methoden zur Regelung denkbar:
- Erstens kann die axiale Position des Rotors auf Mittenposition geregelt werden. Es wird ein Strom durch das Aktorelement geleitet, der die angreifende Kraft, also die Last, kompensieren kann. Durch Messung des Stromes als Stellgröße kann somit die Last der Pumpe berechnet werden. Zweitens kann die 1. Ableitung der Position (Axialgeschwindigkeit) auf 0 geregelt werden. Damit wird der Rotor durch Einspeisung eines geeigneten Stromes in eine Position verschoben, an der die Permanentmagnetkräfte des Magnetlagers die Lastkräfte kompensieren. An dieser Position ist der Steuerstrom nahezu 0. Diese Regelung ist unter dem Begriff Virtual Zero Power Control (VZP) bekannt. Durch Messung der Position als Zustandsgröße kann in diesem Fall die Last der Pumpe berechnet werden.
- First, the axial position of the rotor can be controlled to center position. A current is passed through the actuator element, which can compensate for the attacking force, ie the load. By measuring the current as a manipulated variable thus the load of the pump can be calculated. Second, the 1st derivative of the position (axial velocity) can be regulated to 0. Thus, the rotor is moved by feeding a suitable current in a position at which the permanent magnet forces of the magnetic bearing compensate for the load forces. At this position the control current is almost zero. This regulation is known as Virtual Zero Power Control (VZP). By measuring the position as a state variable, the load of the pump can be calculated in this case.
Beide Größen (Strom und Position) stehen in einer Pumpe der genannten Art ohne weiteren Aufwand ohnehin zur Verfügung, so dass die zusätzliche Messaufgabe mit einer derartigen Pumpe mit geringstem Aufwand zusätzlich erfüllt werden kann.Both variables (current and position) are available in a pump of the type mentioned without further effort anyway, so that the additional measurement task can be additionally met with such a pump with the least effort.
Zur Vervollständigung der Messung wird lediglich jeweils beispielsweise die Drehzahl oder die Energieaufnahme des Förderelementes benötigt, um hieraus in Abhängigkeit von der Pumpenlast einen Volumenstrom zu bestimmen.To complete the measurement, only the speed or the energy consumption of the conveying element is needed, for example, in each case in order to determine a volume flow in dependence on the pump load.
Den entsprechend gemessenen Größen können innerhalb eines gespeicherten Kennfeldes oder durch einen Algorithmus jeweils die benötigten Größen zugeordnet werden, wobei die Art des vorliegenden Fluids beachtet werden muss.The correspondingly measured quantities can be assigned the required quantities within a stored characteristic field or by an algorithm be considered, taking into account the nature of the fluid present.
Die mit der Pumpe gebildete Messeinrichtung muss daher gegebenenfalls für verschiedene Fluide eingemessen werden, um entsprechende Kennfelder und/oder Algorithmen zu bilden.The measuring device formed with the pump may therefore have to be calibrated for different fluids in order to form corresponding maps and / or algorithms.
Zur genaueren Charakterisierung des zu vermessenden durchströmbaren Elementes ist gegebenenfalls die Erfassung von Drehzahlen oder Energieaufnahmewerten und Pumpenlasten bzw. Lagerkräften bei verschiedenen Drehzahlen vorteilhaft.For more accurate characterization of the flow-through element to be measured, the detection of rotational speeds or energy absorption values and pump loads or bearing forces at different rotational speeds may be advantageous.
Den entsprechenden Wertepaaren bzw. Gruppen von Wertepaaren oder Kennlinien, die somit durch das erfindungsgemäße Messverfahren und die Messeinrichtung aufgenommen worden sind, lassen sich damit zuverlässig Strömungswiderstandsparameter bzw. Widerstandsbeiwerte eines der Pumpe nachgeschalteten fluiddurchströmbaren Elementes genau zuordnen.The corresponding value pairs or groups of pairs of values or characteristic curves, which have thus been recorded by the measuring method according to the invention and the measuring device, can thus be used to reliably accurately correlate flow resistance parameters or resistance coefficients of a fluid-flow element downstream of the pump.
Eine besonders gute Charakterisierung des zu vermessenden Elementes kann vorteilhaft dadurch ermöglicht werden, dass die genannten Messungen nacheinander für verschiedene Fluide durchgeführt werden.A particularly good characterization of the element to be measured can advantageously be made possible in that the measurements mentioned are carried out successively for different fluids.
Die Erfindung bezieht sich außer auf das beschriebene Messverfahren auch auf eine Einrichtung zur Messung von Strömungswiderstandsparametern eines von einem Fluid durchströmbaren Elementes, das eine entsprechende Pumpe, eine erste Erfassungseinrichtung für die Drehzahl oder Energieaufnahme des Förderelementes und eine zweite Erfassungseinrichtung für die Last der Pumpe sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist, die wenigstens einem Wertepaar aus einer Drehzahl oder Energieaufnahme und einer dazu erfassten Pumpenlast einen Strömungswiderstandsparameter zuordnet.The invention relates in addition to the measuring method described also to a device for measuring flow resistance parameters of a fluid-flow element, a corresponding pump, a first detection means for the rotational speed or energy absorption of the conveying element and a second detection means for the load of the pump and a Evaluation device, the at least one pair of values from a speed or energy intake and a pump load detected thereto assigns a flow resistance parameter.
Die entsprechende Drehzahl des Förderelementes kann entweder gemessen oder, wenn der Rotor mittels eines Synchronantriebes antreibbar ist, auch vorgegeben werden.The corresponding rotational speed of the conveying element can either be measured or, if the rotor can be driven by means of a synchronous drive, also be specified.
Die Last der Pumpe wird vorteilhaft durch die Registrierung der Lagerkräfte gemessen, insbesondere durch Erfassung des notwendigen Spulenstroms zur Regelung eines ein Förderelement der Pumpe aktiv geregelt lagernden Magnetlagers bzw. der Axialposition des Rotors bei der Anwendung von VZP.The load of the pump is advantageously measured by the registration of the bearing forces, in particular by detecting the necessary coil current for controlling a pump element actively controlling a bearing element magnetic bearing or the axial position of the rotor in the application of VZP.
Zur Zuordnung von entsprechenden Strömungswiderstandsparametern zu den erfassten Messwerten weist vorteilhaft die Auswerteeinrichtung eine Speichereinrichtung mit abgespeicherten Kennfeldern für die Drehzahlen und Pumpenlasten, insbesondere gesondert nach verschiedenen Fluiden, auf.For the assignment of corresponding flow resistance parameters to the detected measured values, the evaluation device advantageously has a memory device with stored characteristic diagrams for the rotational speeds and pump loads, in particular separately for different fluids.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei einer Axialpumpe anwendbar, die einen in einem geregelten Axiallager gelagerten Rotor aufweist, der mittels an diesem befestigten Förderschaufeln als Förderelement der Pumpe dient.Particularly advantageously, the invention is applicable to an axial flow pump which has a rotor mounted in a controlled axial bearing, which serves as a conveying element of the pump by means of conveying blades attached thereto.
Durch den Antrieb des Rotors und die Beförderung eines Fluids in axialer Richtung wird in einer derartigen Axialpumpe eine Axialkraft als Reaktionskraft der Flüssigkeitsbeschleunigung erzeugt, die in dem Axiallager durch entsprechende magnetische Kräfte aufzufangen ist. Die Axialposition des Rotors wird mittels der Stromstärke einer Spule geregelt, die in dem Stator des Lagers, insbesondere zusätzlich zu einem permanenten Magneten, eine Zusatzmagnetkraft in Abhängigkeit von der Pumpenlast erzeugt, um eine Wunschposition des Rotors in axialer Richtung sicherzustellen.By driving the rotor and the conveyance of a fluid in the axial direction, an axial force is generated in such an axial pump as a reaction force of the liquid acceleration, which is to be collected in the thrust bearing by corresponding magnetic forces. The axial position of the rotor is controlled by means of the current intensity of a coil, which in the stator of the bearing, in particular in addition to a permanent magnet, an additional magnetic force in response to the pump load generated to ensure a desired position of the rotor in the axial direction.
Eine entsprechende Axialpumpe ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
Somit stellt das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur erfindungsgemäßen Messung auch eine erfinderische neue Verwendung einer Pumpe dar, die mit sehr geringem zusätzlichen Aufwand die Durchführung der aufgabengemäß geforderten Vermessung eines schwierig zugänglichen, von einem Fluid durchströmbaren Bauteils ermöglicht.Thus, the method according to the invention and the device for measurement according to the invention also represent an inventive new use of a pump, which enables the task of measuring the difficult-to-reach, fluid-permeable component to be carried out with very little additional effort.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt
- Fig. 1
- schematisch in einem Längsschnitt eine Axialpumpe, die für das erfindungsgemäße Messverfahren bestimmt ist,
- Fig. 2
- ein Ablaufdiagramm, anhand dessen schematisch die Funktion des geregelten Magnetlagers dargestellt ist,
- Fig. 3
- schematisch die Auswertung der erfassten Messgrößen,
- Fig. 4
- eine Einrichtung zur Auswertung der Messungen sowie
- Fig. 5
- ein Kennfeld zur Auswertung der Messungen.
- Fig. 1
- schematically in a longitudinal section an axial pump, which is intended for the measuring method according to the invention,
- Fig. 2
- a flow chart, showing schematically the function of the controlled magnetic bearing,
- Fig. 3
- schematically the evaluation of the acquired measured variables,
- Fig. 4
- a device for the evaluation of measurements as well
- Fig. 5
- a map for the evaluation of the measurements.
Der Antrieb für den Rotor 2 sieht ein Blechpaket 5, Wicklungen 6 sowie Jochteile 7, 8 vor, die gemeinsam mit dem Blechpaket 5 einen hochpermeablen Magnetkreis bilden, der über Permanentmagnete 9 im Kern des Rotors 5 geschlossen wird, so dass insgesamt ein Synchronmotor mit außen liegendem Stator gebildet ist, der elektronisch kommutiert wird.The drive for the
Der Rotor 5 ist mittels Permanentmagneten 10, 10a, deren Magnetachse parallel zur Flussrichtung 4 ausgerichtet ist, sowie ortsfesten ringförmigen Permanentmagneten 11, 11a in axialer Richtung magnetisch berührungsfrei gelagert.The
Die Permanentmagnete 10, 11 und 10a, 11a sind jeweils so ausgerichtet, dass sie sich in axialer Richtung paarweise anziehen. Damit ist in axialer Richtung 4 bestenfalls ein labiles Gleichgewicht gebildet, so dass zur berührungsfreien Lagerung zusätzlich eine Regeleinrichtung vorgesehen werden muss. In radialer Richtung ist durch die Ringform der Magnete 11, 11a eine selbsttätige Zentrierung des Rotors 2 realisiert.The
Zur Erfassung der axialen Position des Rotors 2 ist jeweils in den ortsfesten, in Verlängerung des Rotors 2 innerhalb des Rohres 1 liegenden Teilen der Axialpumpe 12, 13 je eine Sensorspule 14, 14a vorgesehen, der innerhalb des Rotors jeweils ein Kurzschlussring 15, 15a gegenüberliegt, so dass mittels der Induktivität der Sensorspulen 14, 14a jeweils der Abstand zum jeweiligen Kurzschlussring 15, 15a und damit die axiale Position des Rotors 2 gemessen werden kann.For detecting the axial position of the
Die entsprechenden Messgrößen werden als Eingangsgrößen einer Regeleinrichtung zugeleitet, die in Abhängigkeit von der gemessenen Position bzw. von der Differenz zur Sollposition des Rotors einen Strom durch zwei Steuerspulen 16, 16a steuert, die die jeweiligen Axialfelder der Permanentmagneten 11, 11a stärken oder schwächen, um die Anziehungskraft der Permanentmagneten 10, 11, 10a, 11a derart zu steuern, dass der Rotor 2 in axialer Richtung in seine Sollposition bewegt wird, bzw. in eine Position, an der der Strom durch die Steuerspulen gleich Null wird (VZP) .The corresponding measured variables are fed as input variables to a control device which, depending on the measured position or on the difference from the target position of the rotor, controls a current through two
Wird nun der Rotor 2 durch Einschalten des Drehantriebs derart in Drehung versetzt, dass ein in dem Rohr 1 befindliches Fluid in der Richtung 4 befördert wird, so ergibt sich eine Reaktionskraft, die der auf das Fluid in der Richtung 4 wirkenden Kraft entgegengesetzt ist und den Rotor 2 vorübergehend axial auslenkt.If now the
Dieser Vorgang ist näher anhand der
Die Antriebssteuerung ist in der
Wenn der Rotor 2 in Rotation versetzt ist, fließt das Fluid, wie dies in der
Wesentlich bei der Darstellung der Erfindung ist lediglich, dass die Strömungswiderstandsparameter des Elementes 24 ausschließlich durch Erfassung von Messgrößen im Bereich der Axialpumpe bestimmt werden können.It is only essential in the representation of the invention that the flow resistance parameters of the
Beim Betrieb des Pumpenantriebs wie oben dargestellt ergibt sich eine Kraft auf den Rotor 2, die in Richtung des Pfeils 25 gerichtet ist und den axialen Spalt zu dem ortsfesten Bauteil 12 zu verkleinern sucht. Die Größe dieses Spaltes ist in der
Auf diese Weise wird die Axialposition des Rotors geregelt und stabil in der Mittenposition gehalten.In this way, the axial position of the rotor is controlled and held stable in the center position.
Die zur Aussteuerung notwendige Stromstärke i ist ein Maß für die auf den Rotor 2 wirkende Gegenkraft bzw. die Pumpenlast oder auch den durch die Pumpe erzeugten Druckunterschied in dem geförderten Fluid.The current intensity i necessary for the modulation is a measure of the counterforce acting on the
Alternativ kann der Rotor durch Einspeisung eines geeigneten Stromes i durch die Steuerspule 16 an eine solche axiale Position bewegt werden, an dem die permanentmagnetischen Kräfte die angreifende Kraft vollständig kompensieren. An dieser Position wird der Strom i nahezu 0. Die Abweichung 27 von der Mittenposition des Rotors kann mittels des Sensors 28 erfasst werden und ist ein Maß für die auf den Rotor 2 wirkende Gegenkraft bzw. die Pumpenlast oder auch den durch die Pumpe erzeugten Druckunterschied in dem geförderten Fluid. Diese Methode wird, wie oben bereits eingeführt, Virtual Zero Power Control (VZP) genannt.Alternatively, by feeding a suitable current i through the
In der
Zur Ermittlung dynamischer Strömungswiderstandsparameter wie Trägheit der Flüssigkeitssäule und Elastizität der Bauteilwand muss anstelle einer stationären Drehzahl ein dynamisches Drehzahlstimulationssignal verwendet werden. Die Pumpenlast und der Volumenstrom werden jeweils unter Nutzung der Drehzahlinformation und der ermittelten Störkraft berechnet. Mit Methoden der Systemidentifikation können die gesuchten Parameter ermittelt werden.To determine dynamic flow resistance parameters such as inertia of the liquid column and elasticity of the component wall, a dynamic speed stimulation signal must be used instead of a stationary speed. The pump load and the volume flow are each calculated using the speed information and the determined disturbance force. The required parameters can be determined using system identification methods.
Anhand der
Dabei ist mit 36 der Sensor für die Stromstärke bezeichnet, die für die axiale Lagerstabilisierung notwendig ist, 36 kann alternativ im Falle der Verwendung eines Virtual Zero Power Control - Regelsystems auch den Sensor für die axiale Rotorposition bezeichnen; 37 bezeichnet einen Drehzahlsensor des Rotors 2 oder einen Sensor für die Leistungsaufnahme. Die Sensoren sind mit der Auswerteeinrichtung 38 verbunden, die eine Vergleichseinrichtung 39 sowie eine Speichereinrichtung 40 aufweist. In der Speichereinrichtung 40 sind die entsprechenden Kennfelder für Drehzahl und Strom- bzw. Positionswerte hinterlegt. Die Auswerteeinrichtung 38 steuert zudem den Antrieb 17 des Rotors an. Außerdem kann die Auswerteeinrichtung 39 über die Eingabeeinheit 41 Informationen über die Art bzw. Viskosität des verwendeten Fluids erhalten.Therein, 36 denotes the current intensity sensor necessary for the axial bearing stabilization, 36 alternatively, in the case of using a virtual zero power control control system, may also designate the axial rotor position sensor; 37 denotes a rotational speed sensor of the
Im Anschluss an den Vergleichsvorgang gibt die Auswerteeinrichtung 38 den ermittelten Strömungswiderstandsparameter an eine Ausgabeeinrichtung 42.Subsequent to the comparison process, the
Die Auswertung kann statt durch Vergleich von Messwerten mit einem Kennfeld auch durch Berechnung anhand eines Auswertungsalgorithmus erfolgen.Instead of comparing measured values with a characteristic field, the evaluation can also be carried out by calculation using an evaluation algorithm.
In der
Die Erfindung erlaubt somit, mit minimalen zusätzlichen Maßnahmen an einer Axialpumpe deren Verwendung als Messeinrichtung zur Vermessung von strömungstechnischen Eigenschaften eines schwierig zugänglichen, mit der Pumpe zu verbindenden Elementes.The invention thus allows, with minimal additional measures on an axial pump their use as a measuring device for the measurement of fluidic Characteristics of a difficult-to-access element to be connected to the pump.
Claims (13)
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EP09075525A EP2330405A1 (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Method and device for measuring flow resistance parameters |
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EP09075525A EP2330405A1 (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Method and device for measuring flow resistance parameters |
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ID=43090807
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EP09075525A Withdrawn EP2330405A1 (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Method and device for measuring flow resistance parameters |
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